CN113488982A - 应用于串联光伏功率优化器的无通讯工作模式选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及分布式光伏发电技术，旨在提供一种应用于串联光伏功率优化器的无通讯工作模式选择方法。包括：功率优化器在启动后检测自身的输出电压，当低于滞环阈值下限时打开功率优化器，当高于滞环阈值上限时关闭功率优化器；在光照条件满足功率优化器启动数量的阈值后，整个串联型光伏功率优化器系统完成启动并向后级传输功率；系统启动完成后，当输出电压高于关机阈值时，功率优化器进入待机状态，等待光照条件变化；在待机状态下，当检测到输出电压低于重启阈值时，功率优化器重启。本发明中各功率优化器根据自身端口电气参数选择工作模式，各功率优化器无需通讯模块，可以实现安全启动、运行、关机与重启，降低了硬件成本与安装成本。

Description

应用于串联光伏功率优化器的无通讯工作模式选择方法

技术领域

本发明涉及分布式光伏发电领域，具体涉及一种应用于串联型光伏功率优化器的工作模式选择方法。

背景技术

太阳能安全、清洁、高效、可持续、分布广泛，因而光伏产业发展迅猛。串联型功率优化器结构是众多光伏发电系统结构中的一种，功率优化器控制光伏电池输出电压，实现最大功率点追踪(MPPT)，输出端串联后构成直流母线接后级系统。串联型功率优化器结构可以有效解决阴影遮挡、组件老化导致的不匹配问题，具备模块化、低成本、灵活性高的特点。

串联型功率优化器系统中每台光伏组件均连接对应的功率优化器，功率优化器的输出串联，各个优化器的输出电流相等，即：

I_out1＝I_out2＝…＝I_outn＝I_bus，其中I_bus为直流母线的电流。

中间直流母线的电压由后级系统控制，前级各优化器的输出电压之和为母线电压值，即：

其中V_bus为直流母线的电压。

系统的输出功率等于所有优化器的输出功率之和，即：

系统在稳态工作时，各个功率优化器的输出电压与其输出功率成正比，即：

由于优化器输出电压正比于优化器输出功率，所以在相对功率偏差较大时(如日出、发生遮挡时)，升压型功率优化器输出电压分配不均，可能威胁系统安全。一般来讲，串联功率优化器需要获取系统总体的功率信息并判断目前的光照条件是否满足安全工作条件，以确保光伏系统安全工作。

传统的控制方法需要通讯模块来保证系统的启动、保护以及稳定运行，这势必增加了成本，提高了系统控制的复杂度，对通讯系统的要求也很高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种应用于串联光伏功率优化器的无通讯工作模式选择方法。该方法能够消除对通讯系统的需求，降低了整体成本。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种应用于串联光伏功率优化器的无通讯工作模式选择方法，在串联型光伏功率优化器系统中，每一台光伏功率优化器根据自身端口电气参数独立选择其工作模式；具体包括：

(1)功率优化器在启动后检测自身的输出电压V_out，当低于滞环阈值下限V_L时打开功率优化器，当高于滞环阈值上限V_H时关闭功率优化器；

(2)在光照条件满足功率优化器启动数量的阈值后，整个串联型光伏功率优化器系统完成启动并向后级传输功率；

(3)系统启动完成后，当输出电压V_out高于关机阈值V_off时，功率优化器进入待机状态，等待光照条件变化；

(4)在待机状态下，当检测到输出电压V_out低于重启阈值V_T时，功率优化器重启。

本发明中，当某一功率优化器检测到自身功率稳定保持时间超过时间阈值T后，判定整个串联系统已顺利启动；此时关闭该功率优化器的启动滞环限制，以扩大整个串联系统的最大功率点追踪范围。

本发明中，各功率优化器采用升压型拓扑，串联后的母线电压V_bus已知且受后级控制。

本发明中，根据预设的启动数量阈值n与不启动数量阈值m，确定启动滞环的滞环阈值下限V_L和滞环阈值上限V_H；其中，滞环阈值下限V_L应满足

滞环阈值上限V_H应满足

V_bus为母线电压；这样可以确保受光组件数量高于n时，系统能够正常启动；接受光照的组件数量低于m时，系统无法启动成功。

启动数量阈值n小于或等于实际光伏功率优化器的个数；不启动阈值m应满足：

当接收到光照的光伏组件数量达到设计数量阈值n时系统启动，无需全部组件接受光照。

本发明中，所述关机阈值V_off为优化器最大输出耐压。所述重启阈值

V_bus为母线整体电压，k为整个串联系统中的光伏功率优化器个数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明中根据启动数量需求、母线电压数值以及优化器应力承受能力，针对串联型光伏功率优化器系统中每一台功率优化器单独设计启动、运行、关机、重启策略中的相关参数。各功率优化器根据自身端口电气参数选择工作模式，系统实现无通讯的安全运行。

2、本发明中各功率优化器无需通讯模块，可以实现串联优化器系统的安全启动、运行、关机与重启，降低了功率优化器的硬件成本与安装成本。

附图说明

图1是本发明所述的串联型光伏功率优化器系统示意图。

图2是本发明所述的串联光伏功率优化器无通讯工作模式选择方法流程图。

图3是本发明所述的控制方法完整过程的优化器输出电压波形示意图(各优化器逐渐接受光照后顺利启动)。

图4是优化器输出电压波形示意图(发生部分遮挡时优化器关机又重启)。

具体实施方式

以下结合附图详细描述本发明的实施方式。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。

针对串联型光伏功率优化器系统中每一台功率优化器单独设计启动、运行、关机、重启策略中的相关参数。各功率优化器根据自身端口电气参数选择工作模式，系统实现无通讯的安全运行。

(1)通过设置优化器启动滞环，各优化器检测自身的输出电压V_out，当优化器输出电压低于滞环阈值下限V_L时，优化器打开；当优化器输出电压高于滞环阈值上限V_H时，优化器关闭。光照条件满足启动数量阈值后，系统正常启动。

(2)优化器单机通过“自身功率维持稳定”这一要素判定系统启动成功，自此关闭启动滞环以扩大MPPT范围。

(3)在优化器的关机与重启策略中，优化器检测到输出电压高于安全阈值电压V_off时进入待机状态，在待机状态中等待触发重启阈值V_T后重启。有两类原因可导致输出电压过高优化器关闭：一是正常日落时相对功率偏差较大，此时关机阈值V_off可确保系统安全关闭；二是遮挡导致光照不匹配，遮挡消失会导致重启阈值V_T被触发，此时尝试重启会使遮挡消失后的系统重新恢复运行。

基于上述三部分结合，能够实现功率优化器的无通讯启动、运行、关机以及重启。

在启动过程中，包含以下步骤：

步骤(1)：明确当前系统的启动数量阈值n、不启动数量阈值m以及中间母线电压V_bus，启动环节中的V_L与V_H由这些参数确定。

步骤(2)：设置启动滞环阈值下限

与启动滞环阈值上限

当优化器输出电压低于滞环阈值下限V_L时，优化器打开；当优化器输出电压高于滞环阈值上限V_H时，优化器关闭。其中，启动滞环下限V_L能够确保当能够传输功率的优化器数量大于等于n(即启动数量阈值)时，系统顺利启动；滞环启动上限V_H能够确保当能够传输功率的优化器数量小于等于m(即不启动数量阈值)时，系统无法启动。

在从启动状态切换至正常运行状态的过程中，主要包含以下步骤：

步骤(1)：优化器检测自身输出功率，当自身输出功率长期保持稳定时判定目前整个系统已启动。这是因为在前述的无通讯启动过程中，优化器总在开启与关断状态之间切换，故长时间维持功率传输就意味着启动过程的结束。

步骤(2)：判定系统启动后，取消启动环节的输出上下限滞环以尽量放大优化器系统对光照不匹配的处理能力。

在关断与重启过程中，主要包含以下步骤：

步骤(1)：各功率优化器检测各自输出电压V_out，如果V_out＞V_off，则功率优化器进入待机状态，等待光照条件变化；

步骤(2)：待机状态的优化器检测到输出电压低于重启阈值电压V_T后，优化器重新进入启动模式，尝试重新启动。如果优化器的输出过压是正常日落时的相对功率不匹配导致的，关机阈值V_off能够确保整个关机过程不发生过压；如果优化器输出过压是由光照失配导致的，当光照失配消失，待机优化器的输出电压将低至V_T，系统可以恢复正常运行。

关机环节的两个参数V_off与V_T，与优化器硬件应力、母线电压、优化器组串个数有关。

具体实施例：

本实施例中，串联型光伏功率优化器系统的结构如图1所示。该示例中包括三个光伏组件，以及对应的三台光伏功率优化器。已知电压的直流母线V_bus，该直流母线可由多种方式(电池、直流变换器、光伏逆变器等)给出；

串联光伏功率优化器无通讯工作模式选择方法流程如图2所示。前级功率优化器采用Boost拓扑，实现前级光伏板的最大功率点跟踪，并根据本发明所述的模式选择方法决定当前工作状态。设定启动数量阈值n＝2，有两个及以上的光伏组件接收到光照后，系统可以顺利启动。

中间直流母线电压由后级蓄电池控制，有：

V_bus＝V_out1+V_out2+V_out3

其中，V_outi为各功率优化器输出电压(i＝1、2、3)，V_bus为中间直流母线电压即蓄电池电压。

由于各优化器之间相互串联，故其输出电流相同，其输出电压之间分配关系满足：

其中P_i为各功率优化器的输出功率，P_tot为所有功率优化器的总功率。

在启动过程中，优化器的输出电压都趋向于稳态电压值。当接受光照的优化器数量不足(即尚未启动成功)时，系统中优化器的输出电压具有以下规律：处于启动状态的优化器输出电压上升，处于关机状态的优化器输出电压下降，因此这一阶段的各优化器的输出电压会在启动滞环之间震荡。良好的滞环参数设计能确保整个系统达到光照条件后正常启动。

这一优化器系统要求当一台优化器受光时系统不启动，两台优化器受光时系统启动，V_bus已知等于110V。根据前述方法设计相关参数，其中：

此处取V_L＝60V，V_H＝80V。

启动成功后进入正常运行状态。当光照条件变差，整个优化器串中可能有优化器输出电压高于V_off，此时这一优化器关闭，其他尚在运行的优化器因此输出电压上升。关闭优化器过多会促使整个系统关闭。如果优化器的输出过压是正常日落时的相对功率不匹配导致的，关机阈值V_off会确保优化器安全；如果优化器输出过压是由光照失配导致的，当光照失配消失，系统可以恢复正常运行，重新开始传输功率。

下面结合图3、4说明工作模式选择方法的执行过程。

图3展示了三优化器系统在光照变强的过程中逐个打开的过程。t0时刻之前，三块光伏组件均未接收到光照，三台优化器的控制器尚未开始工作。t0时刻，I号优化器对应的光伏组件受到光照，开始启动，输出电压上升；II、III号优化器控制器依然未开始工作，boost变换器的功率管不驱动，II、III号优化器的输出电压因Vo_1的上升而下降。t1时刻，I号优化器输出电压Vo_1上升至V_H，根据滞环启动逻辑，此时I号优化器进入关机状态，三台优化器的输出电压均保持不变，直到下一阶段外部光照发生变化。t2时刻，II号优化器对应的光伏组件受到光照，开始启动，输出电压上升，I、III号优化器处于关机状态，输出电压被动下降，t3时刻因III号优化器输出电压已经下降到了零所以不再继续下降，t3时刻后I号优化器输出电压依然下降。t4时刻I号优化器输出电压下降至V_L，根据滞环启动策略开始启动，此时I、II号优化器均处于启动状态，且他们工作电压不高于V_H。所以t4时刻后，已经接收到光照的I、II号优化器开始向后级正常的传输功率。t5时刻，新接收到光照的III号优化器也能平滑并入系统中。

在实际的多优化器系统中，优化器的实际输出电压受到电容放电、随机光照条件等影响，各优化器的真实输出电压无法解算。但本方法所制定的V_H与V_L参数规避了对输出电压的精确计算，将多台优化器视作整体，确保了系统的启动。

图4展示了三优化器系统在光照变化的情况下逐个关闭后又重启的过程。t0时刻之前，三块光伏组件受到均匀光照，各优化器输出电压均为V_av。t0时刻，III号优化器对应组件受到遮挡，对应电压下降，I、II号优化器输出电压因此上升，但幅度尚在安全范围内，故I、II号优化器共同承担母线电压，保持功率输出，稳定后优化器的输出电压如t1～t2阶段所示。t2时刻，II号优化器开始受到遮挡，系统中仅有I号优化器对应光伏组件接受光照，此时输出电压过高，触及V_off后关闭，I号优化器进入待机状态。整个关断过程至此结束，在整个关断过程中优化器各端口均未出现过压。t4时刻II号优化器重新接收到光照，此时控制器执行启动程序，II号优化器的输出电压上升，I号优化器输出电压因此下降至V_T，也尝试重新启动。图3中的t4时刻的系统情况与图3中的t4时刻类似，系统开始正常向后级传输功率，成功重启。

Claims (5)

1.一种应用于串联光伏功率优化器的无通讯工作模式选择方法，其特征在于，在串联型光伏功率优化器系统中，每一台光伏功率优化器根据自身端口电气参数独立选择其工作模式；具体包括：

(1)功率优化器在启动后检测自身的输出电压V_out，当低于滞环阈值下限V_L时打开功率优化器，当高于滞环阈值上限V_H时关闭功率优化器；

(2)在光照条件满足功率优化器启动数量的阈值后，整个串联型光伏功率优化器系统完成启动并向后级传输功率；

(3)系统启动完成后，当输出电压V_out高于关机阈值V_off时，功率优化器进入待机状态，等待光照条件变化；

(4)在待机状态下，当检测到输出电压V_out低于重启阈值VT时，功率优化器重启。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当某一功率优化器检测到自身功率稳定保持时间超过时间阈值T后，判定整个串联系统已顺利启动；此时关闭该功率优化器的启动滞环限制，以扩大整个串联系统的最大功率点追踪范围。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，各功率优化器采用升压型拓扑，串联后的母线电压V_bus已知且受后级控制。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据预设的启动数量阈值n与不启动数量阈值m，确定启动滞环的滞环阈值下限V_L和滞环阈值上限V_H；其中，滞环阈值下限V_L应满足

滞环阈值上限V_H应满足

V_bus为母线整体电压；启动数量阈值n小于或等于实际光伏功率优化器的个数；不启动阈值m应满足：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述关机阈值V_off为优化器最大输出耐压，与器件电压应力有关；所述重启阈伯

V_bus为母线整体电压，k为整个串联系统中的光伏功率优化器个数。

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